Faulhaber-Antriebe für Roboterhände Antriebstechnik macht humanoide Roboter industrietauglich

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Humanoide Roboter brauchen keine menschliche Optik, sondern KI, Vision und präzise Hände. Etwa 20 Prozent aller Antriebsachsen stecken in Roboterhänden. Faulhaber nutzt seine Erfahrung aus dem Prothesenbau zur Entwicklung leichter, kompakter, kraftvoller und präziser Antriebe für den 24/7-Einsatz in Montage und Logistik.

«Was wäre, wenn wir den Mitarbeitermangel als Chance sähen, als Antreiber für eine neu gedachte Produktion?», fragte Dr. Homayoon Kazerooni, Professor of Mechanical Engineering an der Berkley Universität in Kalifornien und unter anderem Experte für die Bereiche Robotik, Exoskelette und Mensch-Maschine-Systeme, als Keynotespeaker beim Faulhaber-Innovation-Trends-Tag: «Wir sollten nicht ständig versuchen, die Vergangenheit wieder herzustellen, sondern etwas Neues schaffen, eine Art hyper-effiziente Produktions-Basis», empfahl Kazerooni und ergänzte: «Wir haben zwar wenige Fachkräfte, aber wir haben humanoide Roboter.»

Humanoider Roboter als KI + Vision + Greifsystem

In Tätigkeitsfeldern mit sozialer Interaktion wie der Pflege, dem Gesundheitssektor oder dem Service bringt man humanoide Roboter schon länger immer wieder ins Gespräch. Aber gerade auch im industriellen Bereich könnten sie viele Einsatzfelder abdecken und die bislang vielfältig eingesetzten Industrie- oder Logistik-Roboter sehr gut ergänzen. In Industrieanwendungen müssen humanoide Roboter nicht zwangsläufig die menschliche Anmutung haben, wie das im Service-Bereich der Fall sein sollte, sondern sie lassen sich auf drei Kernkomponenten reduzieren: Künstliche Intelligenz, Vision mit Bildverarbeitung sowie ein feinmotorisches Greifen ähnlich einer menschlichen Hand. Damit wäre der industrielle Einsatz der ideale Einstieg für humanoide Robotik.

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Gerade die Endmontage von Produkten, die heute oft noch viel menschliche Handarbeit fordert, könnte von dieser Art humanoider Robotik profitieren. Künstliche Intelligenz hat bereits in die Produktion Einzug gehalten, besonders Vision-Systeme nutzen sie inzwischen ausgiebig. Humanoide Roboter müssen sich, wenn sie grossflächig in der Industrie zum Einsatz kommen sollen, flexibel an unterschiedliche Einsatzbereiche anpassen. Auch hierbei könnte die KI ein entscheidender Schlüsselfaktor sein.

Roboterhand als Hauptentwicklungsfeld

Daneben fordert industrielle Montage vor allem Präzision, Kraft und Robustheit. Hier wird die Roboterhand zu einem zweiten wichtigen Schlüsselfaktor. Leicht und robust muss sie sein, modular aufgebaut, lernfähig sowie flexibel einsetzbar, wie die Hand eines Menschen. Dabei kommt der eingesetzten Antriebstechnik eine entscheidende Rolle zu: Sie muss schnell reagieren, im Idealfall die Reaktionszeiten des menschlichen Nervensystems abbilden. Intelligent, leicht, flexibel, effizient, dynamisch und kompakt sollte Antriebstechnik sein. Zudem muss sie in Umgebungsbedingungen mit Wasser und Schmutz klarkommen und widerstandsfähig gegen Stösse sein. Sie sollte rund um die Uhr zuverlässig arbeiten, leistungsstark und langlebig sein sowie im Falle eines Defekts leicht auszutauschen. Skalierbarkeit entsprechend unterschiedlichster Einsatzbedingungen ist eine weitere Forderung. Weil Humanoide oft in der Nähe von Menschen eingesetzt werden, sollten die Antriebe möglichst geräuscharm arbeiten. Und selbstverständlich spielt Sicherheit in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle.

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Drei Wege zur passenden Antriebstechnik

Kevin Moser, Area Sales Manager Vertrieb Deutschland bei Faulhaber kennt diese Anforderungen an Antriebe für den Einsatz in einer Roboterhand nur zu gut: «Wir haben bereits vielfältige Erfahrungen gesammelt bei der Herstellung von Prothesen. Auch hier gibt es ähnliche Anforderungen wie bei der Roboterhand. Diese Anforderungen schlagen sich dann in der technischen Umsetzung des Antriebs nieder: Bei der Antriebstechnologie und Ansteuerung, bei Schnittstellen, bei den Schmierstoffen und der Lagerung, aber auch bei der Getriebetechnologie, im Kommutierungssystem, bei der Wicklungstechnologie bzw. -geometrie sowie bei mechanischen Schnittstellen, in Fertigungsprozessen und natürlich bei den Safety-Features.» Er und seine Kollegen folgen drei prinzipiellen Vorgehensweisen, um die passende Antriebslösung zu finden:

• 1. Die erste setzt auf das Standardsortiment der Antriebsexperten. Aus dem breiten Produktangebot, bestehend aus Motoren, Präzisionsgetrieben, Linearaktuatoren, Encodern, Steuerungen und verschiedenem Zubehör, lassen sich rechnerisch rund 25 Millionen Kombinationen generieren. Je nachdem welche Grössenvorgaben man für eine Roboterhand hat, welche Präzision sie bieten soll, oder welche Kräfte gefordert sind, kann das Standardprogramm trotz der Vielfältigkeit an seine Grenzen kommen.

• 2. Dann bietet sich der zweite Lösungsansatz an: Die Modifikation von Standardkomponenten. Durch individuelle Anpassungen lässt sich die Leistung steigern und es können mechanische oder elektrische Schnittstellen an konkrete Anforderungen angepasst werden. In der Regel nutzt eine Roboterhand sechs Antriebe, für die Kippbewegung in jedem Finger einen plus einen zusätzlichen Antrieb im Daumen für die Anstellbewegung. Natürlich ist der Raum in einer Hand sehr begrenzt. Vor diesem Hintergrund können Anpassungen notwendig sein, um ausreichend Kraft erzeugen zu können.

• 3. Wo man mit Modifikation von Standardkomponenten allein nicht zurechtkommt, kann der dritte Weg gefragt sein: Kundenspezifische Lösungen. Im Co-Engineering mit ihren Kunden entwickeln die Antriebsexperten dabei die ideale Lösung von der kundenspezifischen Antriebskomponente, über komplette ein- oder mehrachsige Antriebssysteme und integrierte Präzisions-Antriebsbaugruppen bis hin zur Herstellung und Lieferung von OEM-Produkten.

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Innovation Trigger-Phase

Der Bedarf an humanoiden Robotern ist gross und wird in den nächsten Jahren wachsen. Technisch sind auf Seiten von KI, Vision und Antriebstechnik bereits sehr viele Grundlagen vorhanden. Dennoch befindet sich humanoide Robotik für den Industrieeinsatz noch in einer Art «Innovation Trigger-Phase», die geprägt ist von Experimentierfreude, einem starken Interesse von Medien und Investoren sowie einer Vielzahl technischer Ansätze, von denen sich jedoch nur ein Teil durchsetzen wird. Kevin Moser benennt in diesem Zusammenhang fünf zentrale Erkenntnisse dazu, wohin seiner Meinung nach die Reise gehen wird: «Wir gehen momentan davon aus, dass humanoide Roboter zuerst in der Industrie Fuss fassen werden, etwa in der Montage, Logistik oder Automatisierung. Im Vordergrund stehen hier Effizienz, Produktivität und die Fähigkeit, Personalengpässe zu kompensieren. Die menschenähnliche Erscheinung ist hingegen eher zweitrangig. Das beschleunigt die Entwicklung.» Dann wird zweitens mit etwas Verzögerung der Serviceeinsatz folgen, weil die Interaktion mit Menschen in Bezug auf Sicherheit aber auch der Akzeptanz als Gegenüber grössere Herausforderungen darstellt. Momentan steht die Entwicklung noch ganz am Anfang und erst die kommenden Jahre werden zeigen, welche Konzepte sich durchsetzen. Klar ist viertens, dass der Roboterhand eine zentrale Rolle zukommen wird. Ein Roboter vereint auf dem Körpervolumen eines durchschnittlichen Erwachsenen momentan 30-40 Antriebsachsen. Allein 20 Prozent aller Antriebsachsen finden sich dabei auf engstem Raum in den Roboterhänden. Das bedeutet fünftens, dass die richtige Antriebstechnik relevant sein wird für zukünftige Entwicklungen. Moser resümiert: «In der Entwicklung von Roboterhänden wird es entscheidend sein, die Antriebe hochintegriert in die Geräte zu bringen. Weil wir nicht nur reine Komponentenlieferanten sind, sondern uns vielmehr als Innovationspartner unserer Kunden verstehen und weil wir umfangreiche Erfahrung mit komplexen Antriebssystemen haben, können wir sie hier ideal bei der Entwicklung der nächsten Generation humanoider Roboter begleiten.»

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